來源：中國的航天

木星環·1996年11月6日·伽利略号拍攝·圖源NASA

說起宇宙探索，讀者朋友的腦海裡浮現的，一定有航天飛機、火箭、人造衛星這些符号，還有一些長得漂漂亮亮的行星，像是戴着寬寬的草帽。

這個大草帽的原型，就是咱們太陽系的土星。圍着它的這個冰雪行星環，使它成為太陽系的顔值擔當。

但你知道嗎？其實，四顆大行星——木星、土星、天王星、海王星都是有行星環的，隻是另外三位沒有土星的這麼酷炫罷啦。今天，我們就來聊聊天王星和木星的行星環吧。

怎麼就想起來要說它們了呢？因為日子：1977年3月10日，人類确知了天王星環的存在；1979年3月4日，旅行者1号拍到了木星環。所以，今天談談它們，是把四十多年前的兩個發現擱到一起，辦個紀念慶典。

相信你一定留意到了，當提到“天王星環”時，我們用的詞是“确知”而不是“發現”。這是因為，早在1789年2月，威廉·赫歇耳——對，正是發現天王星的那位大神——就在觀測筆記裡記下了“February 22, 1789: A ring was suspected……a little inclined to the red.”（懷疑有個環……顔色有點紅）。可是，他的觀測結果在随後的兩個世紀内未能确認，成了一條難立的孤證。現在，雖然我們知道天王星确實有個環系統，其中幾條确實有點紅，但當年赫歇耳究竟有沒有真的看到它，卻成了永遠的謎。

天王星掩SAO 158687·1977年3月10日·Stellarium軟件模拟

1977年3月10日，兩位天文學家和一位數據分析師使用柯伊伯機載天文台，飛到12500米的高空去觀測天王星掩蔽恒星SAO 158687。他們原本隻是想研究星光通過天王星大氣之後的光譜變化，這樣就可以分析天王星的大氣成分。

咦？意外發生了！在天王星遮蔽恒星之前和之後，這顆恒星都短暫地消失了五次，如下圖數據所示。三位觀測者由此判斷，天王星有個環系統，至少五條。恒星的每次消失，都表示它正從一條行星環身後經過。根據觀測數據，人們還推算出了五條環的半徑在44000~51000km之間。

天王星掩SAO 158687時的恒星亮度變化·《自然》雜志1977年5月26日，267期

你可能不信：細細的行星環怎麼可能擋得住恒星嘛！這裡要說一下，我們伸出一根手指，就可以遮住整個太陽。遙遠的恒星（SAO 158687距離我們約5800光年）即使在天文望遠鏡裡，也隻是一個亮點，并不會像天文模拟軟件呈現的那樣，被放大成一個火球。

相比天王星環的傳奇故事，木星環的發現就直截了當，枯燥無味：它是旅行者1号飛掠木星時直接拍到的。不過，鑒于之前還無人看到過木星環，事先也得有所準備，知道該往哪兒瞧、怎麼拍，對不對？旅行者1号就是有備而來，它把鏡頭對着木星赤道上方的黑暗虛空，曝光了672秒，最終發現了木星環。

旅行者1号拍到的木星環·1979年3月4日·圖源NASA

在上面這幅照片裡，中間的傾斜光帶就是木星環。每條曲曲折折的亮線都是太空背景裡的一顆恒星，它們不是點狀，因為672秒的長時間曝光把它們拉成了星迹。這些星迹呈波浪狀，是因為探測器本身有個78秒周期的振動。

大家可能會奇怪，木星那麼大、那麼近，怎麼它的光環發現得比天王星還要晚兩年呢？還有，發現天王星環的方法，直接套用到木星身上就是了，為什麼還非要旅行者1号湊到跟前、幾乎瞪瞎眼才能看到？我們比較一下木星環和天王星環的異同，或許能意識到其中的必然性。

它們的相同之處是二者都黑暗而窄細，不像土星的冰質寬邊大檐帽那麼bling bling。木星環由微米級的塵埃組成，天王星環的原料是直徑小于十米的黑暗顆粒。在當時的科技條件下，從地球直接觀察它們反射太陽光輝，都是幾乎不可能的任務（所以赫歇耳的觀測記錄難以置信）。

直接觀察非常難，就看誰的條件更有利于間接觀察了。

天王星環的材料顆粒個頭大，能結結實實地擋住恒星星光。相比而言，木星的微米級塵埃可以視作透明。

天王星的姿态特别，它的自轉軸傾斜98°左右，躺在軌道上打滾，是它的日常。所以，它的星環和公轉面幾乎垂直，我們從地球上有機會“俯視”天王星環的全貌。從前面的軟件模拟可以看到，1977年，天王星環就處于這麼一個被俯視的姿态。如果發生天王星掩星，那顆恒星不論從哪個角度過來，要想走到天王星身後，就必須殺入圓環套圓環的重圍，出現閃爍消失事件。而木星環和黃道面基本平行，從地球上隻能看到它的側面，近似一條線段，大概率擋不住恒星。

恒星被天王星（左）掩蔽時，必然被光環遮擋幾次。被木星（右）掩蔽時，卻有很大幾率漏網。筆者制圖

所以，天王星雖然遙遠黯淡，它的星環卻早于木星環發現，還是要靠天資 個人努力的，并非全靠運氣。

行星環是怎樣形成的呢？目前一般認為有三個來源：一是原本就在行星周圍，因為靠得太近（術語稱“洛希極限”以内），無法凝聚成一顆大衛星的；二是天然衛星被撞擊或自然噴發出的物質産生的碎屑；三是原本成形的小天體，飛到行星的洛希極限以内，被潮汐力撕成了碎片。

從天王星環内顆粒的反照率、尺寸和星環結構來判斷，科學界主流認為，天王星環的含冰量低并且相當年輕，應該是由潮汐力撕碎的小天體形成的。

塵埃組成的木星環，則有很強的證據認為是第二種來源。木星的光環系統由四個塵埃環構成，每個環的外緣邊界都非常整齊，并且“很巧”地都各自和一顆衛星的軌道重疊。這說明，環内物質是衛星被微隕石撞擊後飛向太空、又被向内旋入木星方向的塵埃。每顆塵埃本身在環内隻能維持千百年左右，但木星大胖子可以源源不斷地拽來小天體，持續制造撞擊，為光環提供原料。

木星的四層星環的外緣和衛星軌道的關系·圖源NASA

對行星環尤其是對土星環以外的行星環的發現和認知，确證了探索宇宙的方法的可行性和可靠性，讓人類發現了天體的新形式，在心智中搭建起來的“世界”，離真實更近一步。

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